CN104865564A - 一种大尺寸目标激光雷达成像技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了大尺寸目标激光雷达成像技术仿真，首先构建激光雷达总的散射功率方程：P_s(t)＝P_c(t)+P_f(t)，P_s(t)是总的散射功率，P_c(t)为相干散射功率，P_f(t)为非相干散射功率；对球形目标或者锥形目标进行激光一维距离像仿真。本发明的有益效果是：通过对大尺寸目标激光雷达成像技术仿真为开展实验测试或者激光雷达工程应用提供有益的技术补充，有效的技术支持。

Description

一种大尺寸目标激光雷达成像技术

技术领域

本发明属于雷达成像技术领域，涉及一种大尺寸目标激光雷达成像技术。

背景技术

大尺寸目标激光散射成像是民用工业、国防和航天等领域中一项重要成像技术。激光成像即包括目标在探测方向上强度像和在目标沿视线投影的距离像。激光散射三维相干成像技术是具有重要军事和民用应用前景的技术。激光散射距离成像技术是利用窄脉冲激光束照射复杂目标，产生目标二维强度分布、一维距离像的三维信息，根据目标(如弹头、目标等)的不同自身结构，通过目标上各单元到探测器距离不同的散射回波的相干探测，获取运动目标上相应各点的回波强度、距离像以及相对径向距离，从而获得目标形状特征信息的技术。

在常用的激光波长下，目标应视为粗糙体。当粗糙物体处于运动状态时，散射信号包含目标的距离-强度图像信息，目标为复杂粗糙散射体，目标上个面元法向矢量并不相同，各面元的激光散射回波特征也必不相同。根据目标距离-强度等相关物理因数建立起来的目标激光三维图像称为目标激光散射距离像。

激光雷达成像(Laser Radar Imaging)是一种新的激光雷达探测技术，它可以进行目标探测，目标鉴别和目标状态分析。这对任何民用、工业及国防复杂环境中的目标光学特性的理论预估、实验数据获取建模建库、特征提取与识别具有重要的意义。

国内外现状和发展趋势

目标一维距离成像最早是在雷达微波波段开展研究工作，随着激光雷达技术的出现，目标一维距离像仿真也从微波段向光学波段拓展。在微波波段，雷达目标识别(radar target identification，简称RTID)技术就是其中一个非常有潜力和发展前途的应用领域。五、六十年代以来，国内外也在RTID方面投入了大量的精力并在其理论探索和实验研究方面都获得了许多卓有成效的成果。按雷达工作频段划分，RTID可粗略地分为低频区(或目标谐振区)的RTID和高频区(或目标光学区)的RTID。低频区或谐振区的RTID大多数方法是建立在基于目标极点(自然频率)的电磁理论基础上的，其基本假设是目标极点不变性。

现代雷达的发展趋势是高带宽、短脉冲，对应的识别技术是光学区的RTID。在高频区进行RTID，优点之一是可使用宽带波形信号，从而得到高距离分辨率。光学区RTID研究的前提是获得目标的散射中心分布，其途径主要有两种：一是通过实验确定，二是由电磁理论计算得到。不管是采用哪一种方法，其散射中心模型只适用于一定波段，一定目标材料，并且与目标姿态和观测角度密切相关。目前光学区RTID研究主要使用预先得到的散射中心模型，因此无法对不同姿态、不同材料目标的距离像进行仿真研究。部分学者从电磁散射理论出发，采用高频近似方法直接计算出目标的一维距离像，并与散射中心模型计算结果进行比较，发现相当吻合，该方法显然具有更大的灵活性。

激光成像雷达依据目标激光一维距离像和多普勒散射信号建立起来一种用于回波测距、定向，并通过位置、径向速度及物体反射特性识别目标，体现了特殊的发射、扫描、接收和信号处理技术的目标识别探测系统，具有如下显著优点：(1)分辨率高，能够辨别真伪目标；(2)图像稳定，抗干扰能力强，不受昼夜、季节、气候、温度、照度变化的影响；(3)提供目标的精确距离、方位和速度数据。鉴于以上这些特点，它在雷达成像技术领域中是一个全新的概念，也是近年来迅速发展的一项高新技术，特别是在航天领域具有广泛的用途，受到了各国空间探测及航天部门的极大关注。

目前有关激光一维距离成像及其多普勒散射特征试验和理论计算仿真，公开发表的论文很少。为了获取和传感更多的信息，美国等先进国家十分重视目标的激光散射及距离多普勒成像的特征提取、模化技术。美国空军部队和导弹防御司令部正在通过实施具有识别能力的先进激光雷达技术(ADLT)计划来发展这项先进技术，采用距离分辨多普勒成像(RRDI)激光雷达导引头来发展激光搜索技术以增强外空间目标的识别能力。由Textron公司制造的激光雷达发射几种波长接近11μm、11.15μm的激光脉冲，根据激光往返时间确定目标距离，用多普勒频移确定目标速度，并可以利用获得的信息确定目标的尺寸和形状，获得目标的多普勒图像。在毛伊岛空间监视站的试验期间，该激光雷达不仅探测到距离达24km的直升机，而且确定了直升机旋翼桨叶的个数和长度、旋翼的间距和转速。由加利福尼亚Hughes研究试验室建立起来的(RD-TRIMS)激光雷达多普勒成像系统能够检测和识别出圆盘和圆球等简单目标的多普勒成像。MIT的Lincoln实验室依据多普勒原理，1975他们开始建立的Firepond I地基相干激光多普勒成像雷达，1990年利用该设备Firepond II对Wallops岛发射火箭发射出来得真假弹头进行识别，1991年MIT的Lincoln实验室和美国Ford Aerospace andcommunication公司A.L.Kachelmyer和David P.Nordquist.利用检测中心获取目标的激光多普勒像，从理论上给出了简单目标信号检测的检测门限，1999年该项成像系统能够检测空间飞行平台的运行姿态。1993年美国战术导弹防御组织和海军研究机构PhilipGart等人开展了单一孔径激光雷达试验研究，旋转圆柱粗糙表面激光雷达多普勒光谱。Monica L.Mindend等人对输出波长为1.5μm锁模激光器采用伪随机编码输出，并利用光纤对信号进行检测，获取了目标激光距离多普勒像(RRDI)。2000年英国的Defence Evaluation and research Agency R.M.Jenkins等人和美国Technology Development Corporation T.Papetti等人合作用波导谐振腔等光学集成系统用10.6μm激光对旋转圆锥体成距离多普勒像实现了目标微运动检测。2001年2004年利用相干激光雷达通过多普勒频率展宽检测振动目标的速度。2004年美国国防高级研究计划局(DARPA)和美国国防部中小企业创新计资助课题采用高灵敏度的相干激光传感系统对中段目标进行实时模拟，包括了距离和多普勒信号的测量(RRDI，即距离高分辨多普勒图像)，激光传感器的波长相应范围1064nm～1550nm，脉冲的返回精度为10ps，调制带宽为2GHz，入射脉冲的编码为100ms，中段探测目标的距离450km。英国的Searchwater雷达利用高分辨率目标距离像反映的目标长度信息和结构信息，完成了对舰船目标的识别。国内有关激光散射成像及其距离多普勒成像等方面研究和国外已经报道的文献比较还有很大的差距，大部分工作都在激光雷达一维或者三维成像这一方面，或者在基于激光多普勒效应的进行气象、流体流速测量等等。

国内有关激光散射一维成像及其距离多普勒散射特征等方面研究和国外已经报道的文献比较还有很大的差距。哈工大等几个院校和研究所在试验上完成了激光雷达扫描成像。而基于目标激光多普勒散射特征研究方面，除了中国兵器工业第210研究所利用外差探测激光雷达的多普勒测距成像可对旋转点目标进行高分辨率成像外，大多集中在进行气象方面如风速、大气污染度鉴定，或者流体流速测量方面的研究。目前，国家973课题就空间目标光学特性展开研究设计到了激光散射成像一些问题。有关这一方面公开发表的文献国内外理论研究还比较少，这无疑开展此项目研究工作，在技术创新上具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供大尺寸目标激光雷达成像技术仿真，解决了目前国内还没有关于激光散射一维成像及其距离多普勒散射特征等方面研究的问题。

本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：

步骤1：首先构建激光雷达总的散射功率方程：

P_s(t)＝P_c(t)+P_f(t)       (1)

P_s(t)是总的散射功率，P_c(t)为相干散射功率，P_f(t)为非相干散射功率；

$P_c\left(t\right)=\frac{P_i{T}_{A1}{\mathrm{\η}}_t}{\mathrm{\π}{\mathrm{\φ}}^2{\mathrm{\ρ}}_0^2}\mathrm{\π}{w}_0^2\exp [-\frac{2g_0\left({\stackrel{\→}{r}}_0^{\′}\right)}{{\mathrm{\φ}}^2{\mathrm{\ρ}}_0^2}]{\left|R\left(0\right)\right|}^2{\left|\mathrm{\χ}(-2k_0)\right|}^2{\mathrm{\σ}}_g\frac{T_{A2}}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\ρ}}_0^2}\frac{\mathrm{\π}{D}^2{\mathrm{\η}}_r}{4}---\left(2\right)$

$P_f\left(t\right)=\∫d{S}^{\′}\frac{P_i{T}_{A1}{\mathrm{\η}}_t}{\mathrm{\π}{\mathrm{\φ}}^2{\mathrm{\ρ}}_0^2}\mathrm{\π}{w}_0^2\exp [-\frac{2g_0\left({\stackrel{\→}{r}}_0^{\′}\right)}{{\mathrm{\φ}}^2{\mathrm{\ρ}}_0^2}]{\mathrm{\σ}}_p^0\left({\stackrel{\→}{r}}^{\′}\right)\frac{T_{A2}}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\ρ}}_0^2}\frac{\mathrm{\π}{D}^2{\mathrm{\η}}_r}{4}---\left(3\right)$

其中P_i为入射激光脉冲功率，ρ₀目标和入射光之间的距离；w₀波束半径；k₀波矢量；S′被探测目标的表面；T_A1是发射源到目标的大气传输率；η_t是发射系统光学效率；φ＝2/k₀w₀是波束宽度；T_A2是目标到接收机的大气传输率；η_r是接收系统光学效率；D是接收口径。g₀ 为标上的点到Gauss波束轴距离的平方。单位面积上非相干散射截面，σ_g单位面积上相干散射截面，R菲涅反射系数，χ(-2k₀)粗糙面起伏特征函数；

步骤2：以本发明公式(1)对球形目标或者锥形目标进行激光一维距离像仿真。

本发明的有益效果是：通过对大尺寸目标激光雷达成像技术仿真为开展实验测试或者激光雷达工程应用提供有益的技术补充，有效的技术支持。

附图说明

图1是粗糙球脉冲高斯波束散射示意图；

图2是铝材质表面球形目标的激光一维成像距离和功率关系图；

图3是镀白漆和镀金球材质表面球形目标的激光一维成像距离和功率关系图；

图4是不同半径镀金球形目标成像长度和功率关系图；

图5是粗糙圆锥距离成像示意图；

图6是两种材料圆锥目标成像的长度和功率关系图；

图7是0.2ns、0.3ns、0.5ns脉宽对圆锥目标的一维激光目标距离像的影响；

图8是1ns、2ns、5ns脉宽对圆锥目标的一维激光目标距离像的影响；

图9是相同锥顶角等比例缩放三种相似形状目标激光一维距离像示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的方法首先构建激光雷达总的散射功率方程，当窄脉冲入射时，目标回波的窄脉冲波分布相当于三维目标散射点子回波之和，在平面波条件下，相当三维子回波以向量和的方式在雷达射线上的投影，即相同距离单元里的子回波作向量相加，通常将目标回波脉冲幅度分布称为一维实距离像，简称一维距离像。激光一维距离成像就是激光脉冲入射到目标后，三维目标表面镜反射点子回波，在探测器探测方向上的相干叠加，其回波幅度在探测器上的分布称为目标激光一维距离像。激光雷达一维距离像的峰值大小，角宽度分别反映了目标几何形状信息。

P_s(t)＝P_c(t)+P_f(t)            (1)

P_s(t)是总的散射功率，P_c(t)为相干散射功率，P_f(t)为非相干散射功率。考虑到探测器具有一定孔径，以及发射和接收系统的光学效率，收发路径上的衰减，则可得到脉冲照射下单站激光雷达方程表达式：

$P_c\left(t\right)=\frac{P_i{T}_{A1}{\mathrm{\η}}_t}{\mathrm{\π}{\mathrm{\φ}}^2{\mathrm{\ρ}}_0^2}\mathrm{\π}{w}_0^2\exp [-\frac{2g_0\left({\stackrel{\→}{r}}_0^{\′}\right)}{{\mathrm{\φ}}^2{\mathrm{\ρ}}_0^2}]{\left|R\left(0\right)\right|}^2{\left|\mathrm{\χ}(-2k_0)\right|}^2{\mathrm{\σ}}_g\frac{T_{A2}}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\ρ}}_0^2}\frac{\mathrm{\π}{D}^2{\mathrm{\η}}_r}{4}---\left(2\right)$

$P_f\left(t\right)=\∫d{S}^{\′}\frac{P_i{T}_{A1}{\mathrm{\η}}_t}{\mathrm{\π}{\mathrm{\φ}}^2{\mathrm{\ρ}}_0^2}\mathrm{\π}{w}_0^2\exp [-\frac{2g_0\left({\stackrel{\→}{r}}_0^{\′}\right)}{{\mathrm{\φ}}^2{\mathrm{\ρ}}_0^2}]{\mathrm{\σ}}_p^0\left({\stackrel{\→}{r}}^{\′}\right)\frac{T_{A2}}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\ρ}}_0^2}\frac{\mathrm{\π}{D}^2{\mathrm{\η}}_r}{4}---\left(3\right)$

其中P_i为入射激光脉冲功率，ρ₀目标和入射光之间的距离；w₀波束半径；k₀波矢量；S′被探测目标的表面；T_A1是发射源到目标的大气传输率；η_t是发射系统光学效率；φ＝2/k₀w₀是波束宽度；T_A2是目标到接收机的大气传输率；η_r是接收系统光学效率；D是接收口径。g₀ 为标上的点到Gauss波束轴距离的平方。单位面积上非相干散射截面，σ_g单位面积上相干散射截面，R菲涅反射系数，χ(-2k₀)粗糙面起伏特征函数。

按照上面构建的激光雷达总的散射功率方程，对球形目标或锥形目标进行激光一维距离像仿真：

球形目标：随着近几年来空间作战平台的攻防对抗电子技术的快速发展，激光制导在战术导弹目标寻的方面发挥着重要的作用，也因此逐渐提出设置激光雷达目标作为对抗反辐射导弹的有效措施，探讨激光雷达目标设置的相关参数，一方面能够对防守方清楚所设计目标的光学参数；另一方面对于进攻方清楚目标的激光散射特征，可以有效区分真假弹头，提高作战效能。按目标的几何尺寸来分，主要的形体特征有两类：球形和圆锥型目标，两种不同形体目标其几何尺寸参数为：球形：被探测目标S′的直径a＝300mm和800mm，圆锥半顶角为α＝5°和30°，h＝500mm和2000mm。

首先我们计算半径为a球形目标的激光一维距离像。设球心位于入射波束轴线上，建立如图1所示的物体坐标系，其中z轴平行于入射波矢量。球表面随机高度起伏满足高斯分布，1.06μm激光波段铝的折射率为n＝2.43+i10.7，高度起伏0.2微米，相关常数5.89微米，白漆的折射率为n＝1.52+0.083i，高度起伏0.083微米，相关常数10.7微米，铝包裹材料1.2278+10.377i，高度起伏0.04微米，相关常数10.7微米，金质包裹材料1.5073+i0.0178，高度起伏0.04微米，相关常数10.7微米。根据(3)式，球的一维距离像是以z₀为中心的一个雷达分辨单元内所列量的平均值。显然，距离像反映了物体表面的结构分布，且雷达分辨单元越小，这种结构分布就越精细。半径a＝500mm不同材质表面球形目标的激光一维距离像如图2和图3所示，图2是铝材质表面球形目标的激光一维成像距离和功率关系图；图3是镀白漆和镀金球材质表面球形目标的激光一维成像距离和功率关系图；图2和图3数值仿真结果表明，球形目标表面材料和几何尺寸对目标激光一维距离像影响较大，材料表面越光滑，其对应激光一维距离像峰值越高，目标球半径尺寸越大，表明曲率半径越大，后向相干散射较强，激光一维距离像较峰值也越高。球目标激光一维距离像分布特征是关于探测视线对称的上凸型对称曲线，当目标球表面材料越接近漫反射，凸型对称曲线越接近球形。图4给出不同半径不同材质球的激光一维距离像仿真a＝300mm，500mm，800mm，对应的峰值为2.68×10⁹，7.45×10⁹，1.9×10⁸焦，从数据结果我们分析出相同材料球形目标一维距离像峰值与近似半径的平方成正比，如

7.45×10⁹/2.68×10⁹＝2.7798≈(5/3)²＝2.778

                                      。

1.9×10⁸/2.68×10⁹＝7.089≈(8/3)²＝7.1111

平底圆锥目标：

圆锥的一维距离像仿真几何图形如图5所示。计算时假设圆锥形：被探测目标S′的圆锥表面半球反射率为ρ_r＝0.9，圆锥底面半径a₁＝0.1m，顶角的半角α₁＝5.7°，顶角的半角，金质包裹材料1.5073+i0.0178，高度起伏0.04微米，相关常数10.7微米。以入射波束轴线与圆锥轴线所在平面为XOZ平面，入射波矢量(sinθ₀，0，cosθ₀)。当脉冲波束以不同角度θ₀入射圆锥时，其一维距离像表达式会有所不同。

另外，当保持底面半径不变而增加圆锥高度时，圆锥半顶角α减小，这使得照射面元的本地入射角增大，激光后向散射也随之减少，因此散射回波功率也减小。当脉冲波束从圆锥底面垂直入射时，散射回波功率应为：

$P\left(t\right)=\frac{P_i(t-2{\mathrm{\ρ}}_0/c+2h/c)T_{A1}{\mathrm{\η}}_t}{\mathrm{\π}{\mathrm{\φ}}^2{\mathrm{\ρ}}_0^2}\mathrm{\π}{w}_0^{2}4{\mathrm{\ρ}}_r\frac{T_{A2}}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\ρ}}_0^2}\frac{\mathrm{\π}{D}^2{\mathrm{\η}}_r}{4}\×\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{\φ}}^2{\mathrm{\ρ}}_0^2[1-\exp (-2a^2/{\mathrm{\φ}}^2{\mathrm{\ρ}}_0^2)]}{2}---\left(4\right)$

(4)式为(1)-(3)式一般情况下用于圆锥的推导结果。

峰值功率应出现在入射方向径向距离L＝h处，在本例中h为0.25m。回波功率与入射脉冲波形相同，只是幅度有变化。根据(4)式，底面半径a增大将使得更多的面元反射入射功率，从而导致散射回波功率幅度增加。图6位两种材料圆锥目标的成像长度和功率关系图。图6表明这一点。曲线上升沿缓慢，而下降较快，其峰值位置表示了圆锥底面的位置，回波脉冲的宽度代表了圆锥的高度，从图中曲线所代表的信息看与圆锥的几何位置及尺寸相当吻合。图7和图8为不同脉宽对圆锥目标的一维激光目标距离像的影响，结算结果表明对于圆锥底面半径a₁＝0.1m，顶角的半角α₁＝5.7°圆锥目标采用最佳探测脉宽是300ps-2ns。当脉宽越窄，探测精度越高但是不可避免带来过大的信号噪声，当脉宽越宽探测精度越小，增加了探测虚警概率。另外需要说明的是，数值仿真目标激光一维距离像与目标几何建模网格抛分有关，过细的网格抛分辨精度越高，但是增加了计算时间，当网格抛分较少时，会带来仿真失真。

图9相同锥顶角等比例缩放三种相似形状目标激光一维距离像，仿真结果表明，外形相似的锥形，其激光一维距离像也具有相似的分布特征，尺寸越大其散射峰值也越大，三种相似形状距离像特征数据与其目标几何尺寸缩放比不满足正比例关系。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种大尺寸目标激光雷达成像技术，其特征在于按照以下步骤进行：

步骤1：首先构建激光雷达总的散射功率方程：

P_s(t)＝P_c(t)+P_f(t)   (1)

P_s(t)是总的散射功率，P_c(t)为相干散射功率，P_f(t)为非相干散射功率；

$P_c\left(t\right)=\frac{P_i{T}_{A1}{\mathrm{\η}}_t}{\mathrm{\π}{\mathrm{\φ}}^2{\mathrm{\ρ}}_0^2}\mathrm{\π}{w}_0^2\exp [-\frac{2g_0\left({{\stackrel{\→}{r}}_0}^{\′}\right)}{{\mathrm{\φ}}^2{\mathrm{\ρ}}_0^2}]{\left|R\left(0\right)\right|}^2{\left|\mathrm{\χ}(-2k_0)\right|}^2{\mathrm{\σ}}_g\frac{T_{A2}}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\ρ}}_0^2}\frac{\mathrm{\π}{D}^2{\mathrm{\η}}_r}{4}---\left(2\right)$

$P_f\left(t\right)=\∫{\mathrm{dS}}^{\′}\frac{P_t{T}_{A1}{\mathrm{\η}}_t}{\mathrm{\π}{\mathrm{\φ}}^2{\mathrm{\ρ}}_0^2}\mathrm{\π}{w}_0^2\exp [-\frac{2g_0\left({\stackrel{\→}{r}}^{\′}\right)}{{\mathrm{\φ}}^2{\mathrm{\ρ}}_0^2}]{\mathrm{\σ}}_p^0\left({\stackrel{\→}{r}}^{\′}\right)\frac{T_{A2}}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\ρ}}_0^2}\frac{\mathrm{\π}{D}^2{\mathrm{\η}}_r}{4}---\left(3\right)$

其中P_i为入射激光脉冲功率，ρ₀目标和入射光之间的距离；w₀波束半径；k₀波矢量；S′被探测目标的表面；T_A1是发射源到目标的大气传输率；η_t是发射系统光学效率；φ＝2/k₀w₀是波束宽度；T_A2是目标到接收机的大气传输率；η_r是接收系统光学效率；D是接收口径。为标上的点到Gauss波束轴距离的平方。单位面积上非相干散射截面，σ_g单位面积上相干散射截面，R菲涅反射系数，χ(-2k₀)粗糙面起伏特征函数；

步骤2：以本发明公式(1)对球形目标或者锥形目标进行激光一维距离像仿真。